DE3636187C2 - - Google Patents

Description

Glykolid (1,4-Dioxan-2,5-dion) dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Homo- und Copolymeren. Bevorzugt finden diese Polymere Verwendung als resorbierbare Polyester zur Herstellung von chirurgischen Nahtmaterial, Implantationsmaterial sowie als pharmazeutische Wirkstoffträger. Aufgrund der Tatsache, daß die Eigenschaften der Polymere wesentlich von dem bei der Polymerisation erreichbaren Molekulargewicht abhängen, werden strenge Anforderungen bezüglich der Reinheit des als Ausgangsmaterial verwendeten Glykolids gestellt. Es ist bekannt, daß Verunreinigungen, wie z. B. Wasser, Säure, Oligomere etc. bei der Polymerisation zu einem vorzeitigen Kettenabbruch führen können.
Die Herstellung von Glykolid ist in der Literatur beschrieben.

Bekannt sind Herstellungsverfahren auf der Basis Glykolsäure (DE-OS 16 68 993 und 16 68 994), Halogenessigsäuren (F. Andreas et al., J. pr. chem. 18, 141 (1962) und deren Salze, Polyglykolsäure, Glykolsäureestern (FR 14 85 302), Chloracetyl­ glykolsäuresalzen (US 37 63 190) und Chloracetylpolyglykolsäure (J. Am. Chem. Soc. 76, 754 (1954).

Im Fall der monomeren Edukte wird zunächst ein Polyester gebildet, der anschließend in situ oder nach Isolierung der weiteren Umsetzung zu Glykolid unterzogen wird. Diese Umsetzung besteht in einer Thermolyse bei 200-300°C unter Zusatz von Metallen, Metalloxiden oder ihrer Salze, wie es beispielsweise in der DE-OS 15 43 958 beschrieben ist. Die Durchführung der literaturbekannten Verfahren im Labor - bis in einem Maßstab von fünf Litern Reaktionsvolumen - zeigt die besonderen Charakteristiken dieser Thermolyse auf.

Aufgrund der Eigenschaften von Ausgangsmaterial und Reaktionsprodukt bedingt, handelt es sich um eine Reaktion, die in die höchste Reaktionsgefahrenklasse einzustufen ist.

Ein thermodynamische Untersuchung der Reaktion ergab, daß die zur Bildung von Glykolid aus Polyglykolsäure bzw. deren Salzen erforderliche Reaktionstemperatur weit im thermischen Zersetzungsbereich von Glykolid zu gasförigen Folgeprodukten liegt.
Die Exothermie der Zersetzungsreaktion wird nur durch die Verdampfungsenthalpie des gebildeten Glykolids kompensiert, daraus folgt, daß die Reaktionsführung dann kritisch wird, wenn eine einwandfreie, kontinuierliche Verdampfung nicht mehr gewährleistet ist.
Der Ausfall dieser Siedekühlung durch eine Betriebsstörung - z. B. durch Ausfallen des Vakuums, infolge verstopfter Leitungen; durch Überhitzung des Reaktionsgemisches, z. B. infolge eines Steckenbleiben des Rührers; durch plötzlichen Zutritt von Sauerstoff - zu dem besonders gegen Ende der Destillation stark verkokenden Sumpf, kann zu einer Thermoexplosion des Reaktionsgemisches führen.

Nachstehend sei der Ablauf eines konventionellen Thermolyseprozesses unter Satzbedingungen skizziert:

Das Ausgangsprodukt wird, mit dem Katalysator gemischt, in die Reaktionsapparatur eingebracht und auf die erforderliche Reaktionstemperatur von 240-260°C aufgeheizt. Während des Aufheizvorganges schmilzt das Ausgangsprodukt und bei 240°C beginnt Glykolid abzudestillieren. Das Reaktionsgemisch färbt sich nach kurzer Zeit dunkel und geht in einen festen kohleähnlichen Zustand über. Ab diesem Zeitpunkt ist das Reaktionsgemisch nicht mehr homogenisierbar.

Das inhomogene Reaktionsgemisch neigt stark zu unkontrollierter Zersetzung, da sich lokale Überhitzungsherde ausbilden. Während der Reaktion werden starke Druckschwankungen von mehreren hundert Millibar beobachtet. Gegen Ende der Reaktion tritt häufig ein Glühen des festen, koksähnlichen Rückstandes ein. Beim Zutritt von Sauerstoff führt dies in der Regel zum Brand bzw. zu Verpuffungen.

Der nach beendeter Reaktion im Reaktionsgefäß verbleibende Reaktionsrückstand kann nur nach längerem Kochen mit konzentrierter Natronlauge aus dem Reaktionsgefäß entfernt werden. Infolge der inhomogenen Reaktionsbedingungen werden bei der satzweisen Thermolyse stark schwankende Qualitäten und Ausbeuten erzielt. Vor einer weiteren Verarbeitung des erhaltenen Glykolids, z. B. Polymeren, sind in der Regel mehrere Reinigungsoperationen, z. B. Umkristallisation, Sublimation, unumgänglich.
Die DE-OS 15 43 958 gibt beispielsweise bei der Thermolyse eine Ausbeute von 56% an, wobei nachfolgende Reinigungsschritte noch nicht berücksichtigt sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Glykolid in technischem Maßstab unter verbesserten Sicherheitsbedingungen bereitzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Glykolid mit verbesserten Ausbeuten in einem technischen Maßstab zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Thermolyse kontinuierlich unter Zwangsförderung in einem Reaktor, wie z. B. Strömungsrohr, mit ansteigendem Temperaturgradienten, gegebenenfalls unter einer Schutzgasatmosphäre wie z. B. Stickstoff oder Argon, unter vermindertem Druck durchzuführen und das dabei entstehende Glykolid abzudestillieren.

Ein geeigneter Reaktor, wie er erfindungsgemäß benutzt werden kann, ist beispielsweise ein selbstreinigender Doppelschneckenextruder mit aufgesetzten Brüdenableitungen.

Derartige Geräte sind bekannt und finden in der Kunststoffherstellung vielfältige Anwendung. Die Geräte sind in der Regel nach dem Baukastenprinzip konstruiert und werden von einer Reihe von Maschinenbaufirmen in vergleichbarer Ausstattung auf dem Markt angeboten. Während in der kunststoffverarbeitenden Industrie Doppel­ schneckenextruder zum Homogenisieren von Kunststoffgranulaten evtl. unter Zumischung von Hilfsstoffen wie Füllmaterialien oder Farbstoffen sowie zur Erzeugung des notwendigen Vordruckes am formgebenden Werkzeug dienen, wird im Falle der Herstellung von Glykolid der Extruder als kontinuierlich arbeitender Chemiereaktor eingesetzt.

Erfindungsgemäß ergeben sich gegenüber einem herkömmlichen Reaktor die folgenden Vorteile: Die Reaktionsmasse wird infolge des kleinen Thermolysevolumens gering gehalten, Störungen oder Gefahren durch Druckaufbau während der Reaktion sind deshalb unbedeutend und bedürfen keiner besonderen Maßnahmen. Die Doppelschnecke des Extruders sorgt zum einen für eine perfekte Homogenisierung des Reaktionsgemisches und somit für eine über den Querschnitt des Strömungsrohres einheitliche Reaktionstemperatur und zum anderen für den Zwangsaustrag des durch Nebenreaktion stets entstehenden Polymermaterials, weiterhin erfolgt durch eine geeignete Anordnung der Doppelschnecke eine ständige Selbstreinigung des Reaktors, wodurch ein Verkleben des Reaktionsgemisches mit Teilen des Reaktors vermieden wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Ausgangsmaterial ein niedermolekulares (oligomeres) Polyglykolid bzw. ein Halogenessigsäuresalz eingesetzt und zusammen mit einem geeigneten Katalysator in dem Vorratsbehälter (siehe Abb.) vorgelegt. Die Herstellung von niedermolekularem Polyglykolid ist allgemein bekannt, so z. B. durch Erhitzen von Halogenessigsäuren und/oder Natriumchloracetat in Xylol. Geeignete Katalysatoren zur Depolymerisation sind ebenfalls Stand der Technik, beispielsweise Zinn und Zink, bzw. ihre Verbindungen. Ein bevorzugter Katalysator ist Zinkoxid. Im allgemeinen werden zwischen 0,01 und 4 Gew.-% Katalysator eingesetzt.

Über eine Dosierschnecke wird das Ausgangsmaterial in den eigentlichen Reaktor gefördert, in dem eine Doppelschnecke einerseits die Zwangsförderung durch den Reaktor bewirkt, andererseits eine homogene Vermischung des plastischen Reaktionsgemisches wie auch die Selbstreinigung während des gesamten Reaktionsverlaufs gewährleistet.

Die Doppelschnecke fördert die Reaktionsmasse durch das Strömungsrohr. Im Rückstau der Schnecke wird durch geeignete Wahl von Drehzahl, Beschickung und Temperatur eine derartige Konsistenz der Reaktionsmasse eingestellt, daß das auf der Destillationsseite anliegende Vakuum von 2-5 mbar aufrechterhalten wird. Der Rückstau im Strömungsrohr kann durch eine geeignete Wahl der Schneckenkonfiguration bewirkt werden, z. B. durch Änderung der Schneckensteigung, bzw. durch Umkehr des Fördersinns. (In der Abb. ist die Schneckenkonfiguration einer Schnecke schematisch dargestellt; dem Fachmann ist die technische Realisation einer entsprechenden selbstreinigenden Doppelschnecke hinreichend bekannt). Die Reaktionsmasse durchläuft dann einen Temperaturgradienten von 130-280°C. Hierbei findet die Thermolyse von niedermolekularem Polyglykolid, das im Falle des Einsatzmaterials Halogenessigsäuresalze in situ gebildet wurde, zu Glykolid statt. Unter den Brüdenöffnungen erfolgt die Verdampfung, das erhaltene Destillat wird in einen temperierten Vorratsbehälter abgeführt, der verbleibende Rückstand liegt bei ca. 5 Gew.-% der eingetragenen Menge und wird zwangsweise durch die Schnecken in den Rückstandsaustragsbehälter gefördert, so daß ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht wird. Bei der Durchführung des Verfahrens erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Heizsegmente nach den Brüdenableitungen (in der Abb. Heizsegment 9) eine niedrigere Temperatur als die an den Brüdenableitungen aufweisen; hierdurch wird gewährleistet, daß das durch Nebenreaktion entstehende Polymermaterial verfestigt und ausgetragen wird. Wenn es gewünscht wird, können weitere Brüdenableitungen in Bereichen niederer Temperaturen aufgesetzt werden, um niedrigsiedende Verunreinigungen zu entfernen.

Das vorstehend geschilderte Verfahren kann in den technischen Maßstab übertragen werden. Die Ausbeute an Destillat (Rohglykolid) beträgt 95% d. Th. t. q. Nach Aufarbeitung durch Fällung in Isopropanol ergibt sich eine Ausbeute von 81% d. Th. Die Ausbeutesteigerung gegenüber dem Batch-Verfahren beträgt im Mittel ca. 60%. Das Produkt wird einem weiteren Reinigungsprozeß zugeführt, der zu einer Glykolidqualität führt, die zur Herstellung hochmolekularer Polyester, wie sie z. B. zur Herstellung von chirurgischen Nahtmaterial Verwendung finden, geeignet ist.

Beschreibung der Apparatur Apparatur

Doppelschneckendosiergerät für Feststoffe, selbstreinigender Doppelschneckenextruder mit Brüdenabführung, Vakuumanschluß und Heizsegmenten; Glaskondensator, mit Heißwasser beschickbar; 2×5 l Vakuumvorlagen mit Doppelmantel; Rückstandsaustragsbehälter mit Stickstoffausgleich und Vakuumanschluß.

Einzelheiten der Apparatur können beim beigefügten Verfahrensfließbild (Abb.) entnommen werden. Zusätzlich erhält die Apparatur Vorrichtungen zur Herstellung und Aufrechterhaltung des notwendigen Vakuums von 2 bis 5 · 10² Pa. Die Segmente 0 bis 9 bedeuten Teile des Reaktors, die unabhängig voneinander beheizt werden können, womit der notwendige Temperaturgradient hergestellt werden kann.

Die Schnecke ist so konzipiert, daß infolge des plastischen Materials ein Vakuum in einem bestimmten Abschnitt des Reaktors problemlos aufrechterhalten werden kann. Die Abb. verdeutlicht den Druckverlauf innerhalb des Reaktors.

Das neue, in einem selbstreinigenden, zwangsfördernden Reaktor (Doppelschneckenextruder) durchgeführte Verfahren zeichnet sich gegenüber den in der Literatur beschriebenen Verfahren insbesondere durch folgende Vorteile aus:

• - problemlos Durchführbarkeit der Reaktion aufgrund des zwangsweisen Austrags von gebildetem Polymermaterial,
• - höhere Ausbeute,
• - bessere Produktqualität,
• - hohe Sicherheit bei der Durchführung dieser Reaktion hoher Gefahrenklasse, aufgrund des sehr kleinen Thermolysevolumens im Strömungsrohr und der dadurch bedingten sehr geringen Reaktionsmasse,
• - hohe Umweltfreundlichkeit.

Es fallen - bedingt durch die hohe Ausbeute und die spezielle Verfahrenstechnik - nur minimale Mengen festen Abfalls an. Die großen Mengen stark alkalischer Abwässer, die beim Batch-Prozeß entstehen, werden vermieden.

Durch das neue, kontinuierlich arbeitende Verfahren wird nunmehr die Herstellung von Glykolid in einem konventionell ausgestattetem Chemiebetrieb ohne besondere, aufwendige Sicherheitseinrichtungen möglich.

Beispiel 1 Kontinuierliche Herstellung von Glykolid aus niedermolekularem Polyglykolid mit katalytischen Mengen Zinkoxid

Niedermolekulares Polyglykolid wird mit 2 Gew.-% Zinkoxid versetzt und in einer geeigneten Mischapparatur wie z. B. einem Rhönradmischer homogenisiert.

Der Extruder wird entsprechend obiger Tabelle (vergl. auch die Abb.) temperiert, die Brüdenableitung wird auf 180°C, die Vakuumvorlagen zur Aufnahme des Destillats auf 80°C aufgeheizt.

Nach Erreichen der Solltemperatur wird der Extruder mit einer Drehzahl von 1,67/sec. und einer Beschickung von 3,0 kg/Stunde niedermolekularem Polyglykolid bei einem Druck von 2-5 · 10² Pa betrieben.
Die Vakuumvorlagen werden nach jeweils 60 Minuten entleert, das Destillat wird aufgearbeitet. Die Ausbeute an Destillat beträgt 95% d. Th. Die Aufarbeitung des Destillats erfolgt konventionell durch satzweise Umfällen aus Isopropanol in einem Verhältnis von Destillat/Isopropanol=1/2,5.

Beispiel 2 Kontinuierliche Herstellung von Glykolid aus Natriumchloracetat mit katalytischen Mengen Zinkoxid

Natriumchloracetat wird mit 2 Gew.-% Zinkoxid versetzt und in einer geeigneten Mischapparatur wie z. B. einem Rhönradmischer homogenisiert.

Der Extruder wird entsprechend obiger Tabelle (vergl. auch die Abb.) temperiert, die Brüdenableitung wird auf 180°C, die Vakuumvorlagen zur Aufnahme des Destillats auf 80°C aufgeheizt.

Nach Erreichen der Solltemperatur wird der Extruder mit einer Drehzahl von 1,33/sec. und einer Beschickung von 3,3 kg/Stunde Natriumchloracetat bei einem Druck von 2-5 · 10² Pa betrieben.
Die Vakuumvorlagen werden nach jeweils 60 Minuten entleert, das Destillat wird wie in Beispiel 1 beschrieben, aufgearbeitet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Glykolid aus niedermolekularem Polyglykolid oder Halogenessigsäuresalzen durch Thermolyse in Gegenwart eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß man die Thermolyse kontnuierlich unter Zwangsförderung in einem Reaktor mit ansteigendem Temperaturgradienten von 15 bis 280°C, gegebenenfalls unter Schutzgas, unter vermindertem Druck durchführt und das entstehende Glykolid abdestilliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck 0,1 bis 5 · 10² Pa beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient von 130 bis 280°C ansteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses in einem evakuierbaren selbstreinigenden Doppelschneckenextruder, versehen mit getrennt regelbaren Heizsegmenten, mindestens einer beheizbaren Brüdenableitung für das Destillat und getrennten Auffanggefäßen für das Destillat und den Destillationsrückstand durchführt.